第六章 聚合物基复合材料的成型工艺
【复合材料概论】复习重点应试宝典
【复合材料概论】复习重点应试宝典第⼀章总论1、名词：复合材料基体增强体结构复合材料功能复合材料复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的⽅法，在宏观上组成具有新性能的材料。
包围增强相并且相对较软和韧的贯连材料，称为基体相。
细丝(连续的或短切的)、薄⽚或颗粒状，具有较⾼的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体。
它们在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作分散相。
结构复合材料：⽤于制造受⼒构件的复合材料。
功能复合材料：具有各种特殊性能（如阻尼，导电，导磁，换能，摩擦，屏蔽等）的复合材料。
2、在材料发展过程中，作为⼀名材料⼯作者的主要任务是什么？（1）发现新的物质，测试其结构和性能；（2）由已知的物质，通过新的制备⼯艺，改变其显微结构，改善材料的性能；（3）由已知的物质进⾏复合，制备出具有优良性能的复合材料。
3、简述现代复合材料发展的四个阶段。
第⼀代：1940-1960 玻璃纤维增强塑料第⼆代：1960-1980 先进复合材料的发展时期第三代：1980-2000 纤维增强⾦属基复合材料第四代：2000年⾄今多功能复合材料（功能梯度复合材料、智能复合材料）4、简述复合材料的命名和分类⽅法。
增强材料+（/）基体+复合材料按增强材料形态分：连续纤维复合材料，短纤维复合材料，粒状填料复合材料，编织复合材料；按增强纤维种类分类：玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料，有机纤维复合材料，⾦属纤维复合材料，陶瓷纤维复合材料，混杂复合材料（复合材料的“复合材料”）；按基体材料分类：聚合物基复合材料，⾦属基复合材料，⽆机⾮⾦属基复合材料；按材料作⽤分类：结构复合材料，功能复合材料。
5、简述复合材料的共同性能特点。
(1)、综合发挥各组成材料的优点，⼀种材料具有多种性能；(2)、复合材料性能的可设计性；(3)、制成任意形状产品，避免多次加⼯⼯序。
聚合物基复合材料成型
❖ 1、制造过程： （1）原辅材料准备阶段：树脂、溶剂、固化剂、促 进剂、填料和颜料等的配制；增强材料的处理 及浸渍；模具的清理及涂覆脱模剂。 （2）成型阶段：采用某种成型方法而成型，并进行 固化定型和脱模，得到初级制件； （3）制件的后处理与机械加工阶段：制品热处理、 加工修饰和检验。
2020/手糊成型 (2)模压成型 (3)层压或卷制成型 (4)缠绕成型 (5)拉挤成型 (6)离心浇铸成型 (7)树脂传递成型 (8)夹层结构成型 (9)喷射成型(10)真空浸胶成型
（11）挤出成型 (12)注射成型 (13)热塑性片状模塑料热冲压成型
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❖ 2.脱模剂
脱模剂的使用温度应高于固化温度。
脱模剂分外脱模剂和内脱模剂两大类。外脱模剂主要应 用于手糊成型和冷固化系统，内脱模剂主要用于模压成型和 热固化系统。
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❖ 11.2.3 手糊工艺过程 1.原材料准备 1）胶液准备 胶液的工艺性:胶液粘度和凝胶时间。 粘度过高不易涂刷和浸透增强材料；粘度过低，在树脂凝胶
（2）石膏和砂：砂：石膏＝1：8，加入20%水，混合均匀后制 模。模具制造简单，造价低。但不耐用，易吸湿，模具表面也 需进行封孔处理。适合量少或形状复杂制品。
（3）石蜡：适合形状复杂数量小的制品。 （4）可溶性盐：由磷酸铝(60%~70%)、碳酸钠（30％~40％)、
偏硼酸钠(5％~8％)、石英粉（2%)等组分(质量比)，加工成粉 料压制烧结成型。在80℃水中能迅速溶解脱模。用于形状复杂 不易脱模的制品。 （5）低熔点金属：由58％的铋与42％的锡(质量比)制成，熔点 为135℃，制模周期短，可重复使用。 （6）金属：常用的有钢材、铸铝等(不能用铜)。模具不变形，精 度高。适用于大批量小型高精度制品，因制造周期长、成本高。
Comp(树脂制备)ok
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手糊工艺中的脱模剂
脱模剂：脱模剂一般由非极性或极性很弱的物质 组成，使固化成型制品，容易地从模具上脱下。
常用的脱模剂： 溶液型脱模剂：过氯乙烯溶液、聚苯乙烯等。 脱模剂最好复合使用，这样能得到良好的 脱模效果。
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薄膜型脱模剂：聚酯薄膜、PVC薄膜、PE薄膜等。
手糊工艺中的胶衣层
胶衣层：制品表面做一层树脂含量高、性能好 的面层，改善玻璃钢制品的表面质量，延长使 用寿命。 胶衣层厚度：一般约为0.25-0.5mm。根据不 的性能要求，选用不同的胶衣树脂。 糊制：先在模具上刷一层树脂，然后铺一层玻 璃布，如此重复，直至达到设计厚度。 注意：排除气泡，贴合紧密，含胶量均匀。 4
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优点： 1.设备造价低、效率高、可连续生产任意 长的各种异型制品。原材料的有效利用率高， 基本上无边角废料。 缺点： 1.它只能加工不含有凹凸结构的长条状制 品和板状制品。 2.制品性能的方向性强，剪切强度较低， 必须严格控制工艺参数。
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七、 模压成型
（Molding）
将模压料置 于金属对模 中，在一定的 温度和压力、 下，压制成型 为制品的一种 成型工艺
缺点：
(1) 生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。 (2) 产品质量不易控制，性能稳定性差。 (3) 生产周期长，产品性能较低。
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三、喷射成型工艺Байду номын сангаас
喷射成型（Spray-up）
将混有引发剂的树脂和混有促进剂的树 脂分别从喷枪两侧喷出，同时将切断纤维 从喷枪中心喷出，与树脂一起均匀地沉积 在模具上。待材料在模具上沉积一定厚度 后。用手辊压实、除去气泡并使纤维浸透 树脂，最后固化脱模成制品。
片状模塑料（SMC）模压法
聚合物基复合材料
PLS
PLS
插层聚合
缩聚
加聚
聚合物 溶液分散
聚合物 熔融分散
聚合物/层状硅酸盐纳米复合物的结构和分类
从材料微观形态的角度，可以分成三种类型：
材料中粘土片层紧密堆积，分散相为大尺寸的颗粒状，粘土片层之间并无聚合物插入。
聚合物基体的分子链插层进入层状硅酸盐层间，层间距扩大，介于1-4nm，粘土颗粒在聚合物基体中保持“近程有序，远程无序”的层状堆积结构。可作为各向异性的功能材料
对相同尺寸和形状的梁进行振动试验的结果表明,对同一振动,轻合金梁需要9秒钟才能停止,而碳纤维复合材料梁只需2～3秒。
过载安全性
聚合物基复合材料的特性
在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达数万根。当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，仍能安全使用一段时间。
．酚醛玻璃钢 耐热性最好, <350℃长期使用，短期可达1000℃；电学性能好，耐烧蚀材料，耐电弧。性脆，尺寸不稳定，收缩率大，对皮肤有刺激作用。
玻璃钢采光板
玻璃钢汽车保险杠
玻璃钢型材
透光型玻璃钢
体育馆采光
赛艇、帆船壳体
2、GF增强热塑性塑料 (FR-TP) 特点：
车用立体声音响喇叭
纳米材料是指含有纳米结构的材料。尺度为1nm-100nm范围内的物质即为纳米物质。
Why nano? Why nanocomposite?
01
从界面角度:
是两相在纳米尺寸范围内复合而成,界面间具有很强的相互作用，产生理想的粘接性能.
从增强体角度:强度大，模量高
聚合物基复合材料的制备与力学性能评价
聚合物基复合材料的制备与力学性能评价在材料科学领域中，聚合物基复合材料是一种重要的材料类型，具有广泛的应用前景。
聚合物基复合材料是由增强相和基体相组成的，通过将增强相分散在基体相中，可以有效提高材料的力学性能。
本文将着重讨论聚合物基复合材料的制备方法以及力学性能评价。
1. 聚合物基复合材料的制备方法聚合物基复合材料的制备方法有多种，其中常见的方法包括浸渍法、熔融法和溶液法。
浸渍法是将增强相浸泡在聚合物基体中，并通过固化使其固定在基体中。
熔融法是将增强相和聚合物基体一起加热至熔融状态混合，并在冷却过程中形成复合材料。
溶液法则是将增强相分散在聚合物基体的溶液中，通过溶剂的蒸发使其固化成复合材料。
2. 聚合物基复合材料的力学性能评价力学性能评价是衡量聚合物基复合材料性能优劣的重要指标。
常见的力学性能评价包括拉伸性能、弯曲性能和静态力学性能等。
拉伸性能评价是通过拉伸试验来评估材料的抗拉强度和延伸性能。
抗拉强度是指材料在受拉力作用下的最大承载能力，而延伸性能则指材料在拉伸过程中的变形程度。
弯曲性能评价是通过弯曲试验来评估材料的抗弯强度和弯曲刚度。
抗弯强度是指材料在受弯力作用下的最大承载能力，而弯曲刚度则指材料对弯曲变形的抵抗能力。
静态力学性能评价是通过压缩试验、剪切试验等来评估材料的抗压强度、抗剪切强度等。
这些性能指标可以帮助判断材料在应力状态下的稳定性和可靠性。
此外，聚合物基复合材料的力学性能还可以通过动态力学性能评价来考察。
动态力学性能评价主要包括材料的动态力学力学性能和疲劳性能等。
动态力学性能是指材料在动态加载下的力学响应，疲劳性能则是指材料在长期受力作用下的耐久性能。
3. 聚合物基复合材料的应用前景聚合物基复合材料具有广泛的应用前景。
首先，在航空航天领域，聚合物基复合材料因其轻质高强的特性，成为替代传统金属材料的理想选择。
其次，聚合物基复合材料在汽车制造、船舶制造和建筑领域也有广泛应用。
其轻质高强的特点可以减轻结构负担，提高汽车、船舶和建筑的整体性能。
复合材料工艺
F-35
战 斗 机
复合材料进气道 预形件的编织是在一个大心轴上进行的，将其共分为35块， 以便在固化后分别从心轴上取下。心轴是由五层连续石墨 纤维编织而成，局部达八层厚。编织为一种自动化的经纬 编织法，零件表面纤维拉紧。
接触低压成型工艺
• 接触低压成型工艺的特点是以手工铺放增强材料，浸清树 脂，或用简单的工具辅助铺放增强材料和树脂。接触低压 成型工艺的另一特点，是成型过程中不需要施加成型压力 （接触成型），或者只施加较低成型压力（接触成型后施 加0.01～0.7MPa压力，最大压力不超过2.0MPa）。
原理1、纤维路径在整个缠绕过程中不打滑。 原理2、整个成型过程中，纤维不架桥。 原理3、纤维路径与芯模端部相切。
原理4、整条纤维尽可能均匀地完全覆盖芯模。
大型玻璃钢现场微控整体缠绕贮槽、贮罐，缠绕直径 4000mm-10000mm，缠绕长度为3000--12000mm。
（1）干法缠绕
• 干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软 化至粘流态后缠绕到芯模上。
模具检验 及涂脱模 剂
图纸资料 胶液配制
玻璃布处理
预浸料制备
湿法铺陈 干法铺陈
装袋
固化炉 热压罐
模具
脱模 制件 加工和 修饰
试验片
检验区
检验
成
品
性能测试
真空袋成型
②真空袋法 此法是将手糊成型未固化的制品，加盖一层橡胶膜，制品处于橡 胶膜和模具之间，密封周边，抽真空（0.05～0.07MPa），使制品中的气泡 和挥发物排除。真空袋成型法由于真空压力较小，故此法仅用于聚酯和环氧 复合材料制品的湿法成型。
1层贴法
2 沉积法
3 缠绕法 4 编织法
6.聚合物基复合材料的性能
钛
玻璃钢 碳纤维Ⅰ/ 环氧 碳纤维Ⅱ/ 环氧 有机纤维 / 环氧
硼纤维 / 环氧
7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1
1.03 0.47 0.96 1.06 1.5 1.07 1.4 1.38
2.1 0.75 1.14 0.4 1.4 2.4 0.8 2.1
0.13 0.17 0.21 0.53 1.03 0.7 1.0 0.66
直线上的两个力F作用时，发生简单剪切。 g = △l / l0 = tan q, s s = F/ A0 • 均匀压缩： gv = △V / V0
力学性能的基本指标—弹性模量
弹性模量（模量）
单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。
三种形变对应三种模量 拉伸模量（杨氏模量）：E = s / e 剪切模量 ：G = ss / g 体积模量（本体模量）：B = P / gv
应变
受到外力作用而又不产生惯性移动时，材料的几何形状和尺寸发生的变化
应力
定义为单位面积上的内力，内力是材料宏观变形时，其内部分子及原子间 发生相对位移，产生分子间及原子间对抗外力的附加内力。
材料的受力方式
• 简单拉伸：张应变e = △l / l0, 习用应力s = F/ A0.
• 简单剪切：材料受到与截面相平行、大小相等、方向相反且不在同一
会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件在短期内不致于失去承 载能力。
聚合物基复合材料的总体性能(3)
可设计性强、成型工艺简单
通过改变纤维、基体的种类及相对含量、纤维集合形式及排列方式、 铺层结构等可满足材料结构和性能的各种设计要求。 整体成型，一般不需二次加工，可采用手糊成型、模压成型、缠绕成 型、注射成型和拉挤成型等各种方法制成各种形状的产品。
聚合物基复合材料成型工艺
3. 固化（凝胶-----定型-----熟化）
固化方式
常温固化：温度＞15℃ （25~30℃）；湿度 ≤80% （15~30℃，8~24h）
加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外 线加热 （60~80℃，1~2h）
固化度 丙酮萃取法 硬度法（巴氏硬度） ＞15
4. 脱模：气脱、顶脱、水脱
5. 后处理 修整：除去毛边、飞刺、修补表面及内部缺陷，钻孔 装配：机械连接、胶接 表面涂饰
四、手糊制品缺陷及原因
1. 胶衣起皱、龟裂、变色
原因： 起皱 ①胶衣层太薄；②固化剂不足；③气温太低； ④胶衣层厚度不均；⑤胶衣层固化不足
龟裂 ①胶衣层太厚；②固化时热量过大； ③固化剂用量过多；
变色 ①固化剂用量过多；②胶衣流挂； ③颜色分离；④胶衣层厚度不均
NaBO2 （5~8%） ），80℃溶于水； ⑦低熔点金属58%Bi+42%Sn，熔点135 ℃； ⑧玻璃钢 ⑨金属：钢材、铸铝，不能用铜（铜盐可妨碍树脂固化）
三、模具结构形式
单模 阴模（制品外表面光洁） 阳模（制品内表面光洁）
对合模 制品双面光洁 拼装模（组合模） 大型模具，由小块模具拼装而成
a.阴模示意图
4. 真空袋材料：气球步、橡胶袋、尼龙薄膜 5. 密封材料：胶条、胶带
图4-5 手糊玻璃钢制品举例
➢袋压成型
优点：仅用一个模具，就可得到形状复杂，尺寸较大，质量较好 的制件，也能制造夹层结构件
一、真空袋成型 1. 过程
制品毛坯 真空袋密封
抽真空
固化 制品
2. 特征 1）工艺简单，不需要专用设备；
3）预热和预成型
A. 预热作用：改善工艺性能，提高模压料温度，缩短固 化时间，降低成型压力；
5.聚合物基复合材料的制备工艺汇总
包括过滤、吸磁、干燥、研磨、称量、预热等
初混合
塑炼
造粒
粒料
初混合
在聚合物熔融温度以下、较缓和的剪切力作用，用捏合机、高 速混合机等设备将物料按顺序加入、混合均匀。
塑炼
在高于树脂熔融温度和较大的剪切力作用下 ，在双滚筒炼胶 机、密炼机、单螺杆挤出机等设备使物料热熔、剪切混合达到适当 的柔软度和可塑性，同时除去挥发物。
5.2 复合材料制品成型工艺
5.2.1 手糊工艺
5.2.2 模压成型工艺
5.2.3 RTM成型工艺 5.2.4 喷射成型工艺 5.2.5 连续缠绕成型工艺 5.2.6 拉挤成型工艺
5.2.7 挤出成型工艺
5.2.8 RRIM成型工艺
手糊成型工艺—流程
模具 准备
涂脱膜剂 手糊成型
连续纤维预浸料的制造
5.1 复合材料半成品制造工艺
5.1.1 热塑性塑料粒料
5.1.2 热固性模塑料 5.1.3 连续纤维预浸料
模塑粉 短纤维增强热固性模塑料 片状模塑料（SMC）
5.1.4 增强热塑性塑料片材
增强热塑性塑料片材（RTPS）
与热固性复合材料相比，热塑性复合材料以其良好韧性、 快速成型和可回收利用的优势倍受重视。将增强材料和热塑 性树脂预先制成半成品板材，再将它剪裁成坯料，模压或冲 压成各种制品。这种半成品称为增强热塑性塑料片材
4
树脂糊
6
9
顶部PE薄膜
割刀
中空钢鼓轮
7
粗纱切割器 5
割刀
3
粗纱
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树脂糊 2
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低部PE薄膜
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压紧辊
聚合物基复合材料的成型工艺流程
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聚合物基复合材料
4、3 纤维增强聚合物复合材料
玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料(FR-ABS)
基体树脂:丁二烯-苯乙烯共聚物(BS) 丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS) 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)
性能改进:强度、弹性模量有成倍提高 耐高温、耐低温、尺寸稳定性等都有所改善
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
玻璃纤维增强聚碳酸酯(FR-PC)
Kevlar纤维增强树脂:良好压延性、耐冲击、 良好振动衰减性、优异得耐疲劳性
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
常见高性能纤维增强环氧树脂性能对比
增强纤维 相对密度 拉伸强度,MPa 弹性模量,GPa
碳纤维 1、6 1500 12
Kevl 2、0 1750 120
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4、4 聚合物基复合材料得制备和加工
轮鼓缠绕法预浸料制备示意图
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4、4 聚合物基复合材料得制备和加工
(2)预混料:
工艺对象:不连续纤维浸渍或混合树脂 制品特征:片状模塑料(Sheet molding pound,SMC)
块状模塑料( Bulk Molding pound,BMC) 注射模塑料(Injection molding pound,IMC)
高强度、高模量纤维增强塑料
基体树脂:环氧树脂 增强材料:碳、硼、芳香族纤维、晶须等高强、高模纤维
性能特点:密度小、强度模量高、热膨胀系数小; 制备工艺简单、成型方法多; 纤维价格昂贵,使用范围到限
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4、3 纤维增强聚合物复合材料
碳纤维增强树脂: 强度、刚度、耐热性均好
硼纤维增强树脂: 刚性好(模量高于碳纤维增强)
聚合物基复合材料
4、1 概述
4、1 概述
4、1 概述
聚合物基复合材料的工艺
3.聚合物基复合材料的工艺（重要）（1）预浸料的制备工艺1.热固性预浸料的制备1）溶液浸渍法。
将树脂基体个组分按规定的比例溶解于低沸点的溶剂中，使之成为一定浓度的溶液，然后将纤维束或织物以规定的速度通过基体溶液，使其浸渍上定量的基体溶液，并通过加热除去溶剂，使树脂得到合适的黏性。
2）热熔法。
分为直接熔融法和胶膜压延法。
2.热塑性预浸料制备。
可分为预浸渍技术与后浸渍技术两类。
（2）手糊成型工艺。
先在磨具上涂刷一层脱膜剂，后加入含固化剂树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。
然后再固化、脱膜、修边，得到复合材料制品。
（3）模压成型工艺。
是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。
是广泛使用的对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。
（4）喷射成型工艺。
将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧测(或在喷枪内混合)喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。
持沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品。
（5）连续缠绕工艺。
一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上。
常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。
是一种生产各种尺寸回转体的简单有效的方法。
（6）注射成型。
将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内，加热熔化、混合均匀，并以一定的挤出压力，注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。
6.陶瓷基复合材料的制备工艺（成型工艺）（1）等静压成型。
一般等静压指的是湿袋式等静压（也叫湿法等静压），就是将粉料装入橡胶或塑料等可变形的容器中，密封后放入液压油或水等流体介质中，加压获得所需的坯体。
（2）热压铸成型。
热压铸成型是将粉料和蜡（或其他有机高分子黏结剂）混合后，加热使蜡（或其他有机高分子黏结剂）熔化，使混合料具有一定流动性，然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到致密的较硬实的坯体。
聚合物基复合材料的制备与性能优化
聚合物基复合材料的制备与性能优化聚合物基复合材料是由聚合物基体和增强材料组成的多相材料，由于其优异的性能，如高强度、高模量、良好的耐腐蚀性和耐磨性等，在航空航天、汽车、电子、建筑等领域得到了广泛的应用。
然而，要获得性能优异的聚合物基复合材料，需要对其制备工艺和性能优化进行深入的研究。
一、聚合物基复合材料的制备方法1、手糊成型手糊成型是一种简单而古老的制备方法。
将纤维增强材料铺放在模具表面，然后用刷子或喷枪将树脂涂覆在纤维上，使其浸润，通过多次重复操作，直到达到所需的厚度。
这种方法适用于小批量、大型和复杂形状的制品，但生产效率低，质量稳定性较差。
2、喷射成型喷射成型是将树脂和短切纤维同时喷射到模具表面，然后通过压实和固化得到制品。
这种方法可以提高生产效率，减少人工操作，但纤维长度较短，性能相对较低。
3、模压成型模压成型是将预浸料（纤维预先浸渍树脂）放入模具中，在加热和加压的条件下固化成型。
这种方法生产效率高，制品质量稳定，但模具成本较高，适用于大批量生产。
4、缠绕成型缠绕成型主要用于制造圆柱形或球形的制品。
将连续纤维通过浸渍树脂后，按照一定的规律缠绕在芯模上，然后固化成型。
这种方法可以充分发挥纤维的强度，制品性能较好。
5、拉挤成型拉挤成型是将连续纤维通过树脂浸渍槽，然后在牵引装置的作用下通过加热模具固化成型。
这种方法生产效率高，制品性能稳定，适用于生产截面形状相同的长条状制品。
二、聚合物基复合材料的性能优化1、增强材料的选择和处理增强材料的种类、形态和性能对复合材料的性能有着重要的影响。
常用的增强材料有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。
玻璃纤维价格低廉，但性能相对较低；碳纤维强度和模量高，但价格昂贵；芳纶纤维具有良好的韧性和抗冲击性能。
在选择增强材料时，需要根据具体的应用需求和成本考虑。
此外，增强材料的表面处理也非常重要。
通过对纤维表面进行处理，可以提高纤维与树脂的界面结合强度，从而提高复合材料的性能。
复合材料聚合物基复合材料
5.工艺性好。
制造工艺简单，过载时安全性好。
设计性强
由于纤维复合材料的各向异性，与之相关的是性 能的可设计性。由于控制其性能的因素很多，增强剂 类型、基体类型、纤维的排列方向、铺层次层、层数、 成型工艺等都可以根据使用目的和要求不同而进行选 择，因而易于对PMC结构进行最优化设计，做到安全 可靠，经济合理。
•复合材料的破坏有明显预兆，可以在事先检 测出来，而金属的疲劳破坏则是突发性的。
•复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的 扩展，其疲劳总是从纤维的薄弱环节开始， 裂纹扩展或损伤逐步进行，时间长，所以破 坏前有明显的预兆。
3.阻尼减振性好
受力结构的自振频率除了与结构本身形状 有关外，还同结构材料的比模量平方根成 正比。所以复合材料有较高的自振频率。
聚合物基复合材料在中国的发展
中国的复合材料起始于1958年，首先用于军工制 品，而后逐渐扩展到民用。
1958年以手糊工艺研制了玻璃钢艇，以层压 和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹。 1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚 醛树脂烧蚀防热弹头。 1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂 窝夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的直 升机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠 绕工艺研究并生产出一批氧气瓶等压力容器。
同时，复合材料基体与纤维的界面有较大 的吸收振动能量的能力，致使材料的振动 阻尼较高，一旦振起来，在短时间内也能 停下来。
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切边加工
复合材料
1) 脱模剂、胶衣和纤维布
3) 重复纤维布和树脂过程。
2) 倒树脂并赶匀。 手糊成型工艺示意图
4) 固化
复合材料
复合材料
复合材料 特点 优点： ①不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大，批量
复合材料 三、模具结构形式 单模 阴模（制品外表面光洁） 阳模（制品内表面光洁）
对合模
制品双面光洁
大型模具，由小块模具拼装而成
拼装模（组合模）
a.阴模示意图
b.阳模示意图
c.对模示意图
复合材料 四、辅助材料 油脂类：硅酯、黄油、凡士林、石蜡 1. 脱模剂 溶液类：聚乙烯醇（乙醇水溶液） 薄膜类：PVC、PE、PA
复合材料
复合材料
2. 工艺过程
预浸料下料、 铺叠 封装 抽真空 加热加压 固化
3. 真空封装材料铺叠顺序 构成隔离、透胶、吸胶、透气系统
复合材料
真空封装材料的铺层顺序
复合材料 3. 真空封装材料铺叠顺序
加热 预浸料熔融 粘流态 固化 高弹态 玻璃态
加压作用：压实预浸料，制备结构均匀、致密复合材料 加压时机：粘流态与高弹态区间 加压太早：树脂流失过多 加压太迟：树脂已进入高弹态，树脂结构不致密
复合材料
3. 工艺流程
模具预热 模压料称量 涂刷脱模剂 预热
装模
制品
压制
检验
脱模
后处理
1）模压料估算
W V (1 )
：制品密度 V：体积 :物料损失系数(3%~5%)
复合材料
2）确定工艺参数
A. 温度 装模温度：取决于模压料品种，制品结构和生产效 率（快速成型80℃以上，一般室温~90 ℃） 升温速度：10 ℃/h~ 30 ℃/h 最高模压温度 固化温度（温度过低，固化不完全； 过高，局部固化，中间固化不良） 保温时间 固化反应时间不稳定，导热时间
修整：除去毛边、飞刺、修补表面及内部缺陷，钻孔
装配：机械连接、胶接
表面涂饰
复合材料 四、手糊制品缺陷及原因 1. 胶衣起皱、龟裂、变色 原因： 起皱 ①胶衣层太薄；②固化剂不足；③气温太低； ④胶衣层厚度不均；⑤胶衣层固化不足 龟裂 ①胶衣层太厚；②固化时热量过大； ③固化剂用量过多； 变色 ①固化剂用量过多；②胶衣流挂； ③颜色分离；④胶衣层厚度不均
不腐蚀模具，不影响树脂固化，对树脂粘附力小； 脱模剂要求：成膜时间短，成膜均匀、光滑； 使用温度高于树脂固化温度； 操作简便，使用安全，价格便宜
复合材料 2. 隔离材料（保护复合材料不受污染）： PVC、PA薄膜 3. 透气材料、吸胶材料：玻璃布、吸胶纸、吸胶毡 4. 真空袋材料：气球步、橡胶袋、尼龙薄膜 5. 密封材料：胶条、胶带
复合材料 3. 固化（凝胶-----定型-----熟化） 固化方式 常温固化：温度＞15℃ （25~30℃）；湿度 ≤80% （15~30℃，8~24h） 加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外 线加热 （60~80℃，1~2h） 丙酮萃取法 硬度法（巴氏硬度） ＞15
固化度
复合材料
4. 脱模：气脱、顶脱、水脱 5. 后处理
复合材料
聚合物基复合材料的制备大致可以分为4个步骤
复合材料 聚合物基复合材料的工艺特点 （1） 材料的形成与制品的成型是同时完成的 该特点可实现大型制品一次整体成型，简化制 品结构，并且减少组分零件和联接零件的数量，因而 减轻制片质量，降低工艺消耗和提高结构件使用性能 （2） 复合材料的成型比较方便 复合材料基体及增强材料的特点，可使得一些 复合材料用廉价简易设备和模具，不用加热和加工工 艺的方法，由原材料直接成型出大尺寸的制品。 一种复合材料可以采用多种方法成型，选择成 型方法可根据制品结构的特点、用途、生产量、成本 以及生产条件的综合资料考虑，选择最经济和最简便 的成型工艺
复合材料
图4-5
手糊玻璃钢制品举例
复合材料 袋压成型
优点：仅用一个模具，就可得到形状复杂，尺寸较大，质量较好 的制件，也能制造夹层结构件
复合材料
一、真空袋成型 1. 过程
制品毛坯 真空袋密封 抽真空 固化 制品
2. 特征 1）工艺简单，不需要专用设备； 2）压力较小，最大为0.1MPa，只适 用厚度1.5mm以下复合材料制品
复合材料
2. 制品收缩 原因： ①拐角处圆弧半径过小； ②脱模剂用量太多； ③制品局部厚度过大； ④胶衣层厚度不均，后固化加热不均
复合材料 3. 制品翘曲和变形 原因： ①固化剂用量过大 ②制品太薄； ③制品厚度不均匀或不对称； ④树脂集聚； ⑤脱模太早，树脂固化度不够； ⑥后处理过早或温度不均
F-面积；H-厚度； ：密度；-物料损失系数
按层数下料：预先确定1mm板材所需胶布张数，据此估算
H＜5mm,=0.02~0.03; H＞9mm,=0.03~0.08
复合材料 3）组合 ①叠合体=铁板+衬纸+单面钢板+板料+双面钢板+板料 +…..+双面钢板+板料+单面钢板+衬纸+铁板 一个叠合体5~10块板，一次可压制7~10个叠合体 ②组合原则：厚板放二侧，薄板料放中间；薄板料放二 侧，后板料放中间；H≥20mm，单独压制 ③ 衬垫材料（衬纸、石棉布）：传热、传压均匀；多次 使用后变脆，应更换
复合材料
第6章 聚合物基复合材料成型工艺
教师：杜江华
复合材料
第6章 聚合物基复合材料成型工艺
本章教学目的：
1. 了解复合材料各种成型工艺 2. 掌握常用成型方法（手糊法、层压法、喷射法等） 3. 了解模具及辅助材料 4. 了解复合材料固化成型过程
本章重点难点：
复合材料常用成型方法（需要的常用设备及主要工艺参 数；复合材料固化成型过程）
小，形状复杂产品的生产。 ②设备简单，投资少，设备折旧费低。 ③工艺简单。 ④容易满足产品设计要求。 ⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。
缺点： ①生产效率低，劳动强度大，卫生条件差。
②产品质量不易控制，性能稳定性不高。 ③产品力学性能较低。
复合材料
二、原材料选择 1. 增强材料
①无捻粗纱布（方格布）：0.1~0.8mm
制品：大尺寸产品的成型，如船体、 浴缸及小型飞机部件
复合材料 低成本树脂（LTM)基体材料:指在130-150°下固化，特 别是能在0.1MPa即真空压力下固化。
X-39机翼
复合材料
二、压力袋成型 压力为0.25~0.5MPa 制品：薄蒙皮、蜂窝夹层 结构件
复合材料
复合材料
三、真空袋-热压罐成型 用于先进复合材料结构 1. 热压罐组成 罐体、真空泵、 压气机、储气罐、 控制柜
复合材料 2. 糊制 1）表面层（胶衣层、富树脂层） 厚度：0.25~0.5mm，或300~500g/m2 涂刷（二遍，互相垂直）：喷涂 表面毡（材料）
复合材料
2）增强层 材料：玻璃布或短切毡
对接（注意对接缝错开） 拼接 搭接 二次固化拼接（d≥7mm,固化发热量太 大，制品易变形或分层） 弯角或凹凸处：玻布剪开，压平 特殊处理 直角：先填触变树脂，然后糊制 凸字：先用树脂浇注，然后糊制
复合材料 2）增强材料准备 玻纤布裁剪：玻布沿径向45°剪裁 圆环形制品
复合材料 2）增强材料准备 玻纤布裁剪： 玻布裁成扇形 圆锥形制品
复合材料
玻纤布裁剪 布的拼接
圆环形制品 圆锥形制品
玻布沿径向45°剪裁 玻布裁成扇形
对接（表面质量要求高的产品）
搭接 3）胶衣糊准备
可选用专用胶衣糊制作表面层，提高表面层质量（外观、性能）
复合材料 复合材料制件的设计过程
根据制品的要求选材（F、M) 根据材料的工艺性选择成型方法
根据单向性能铺层设计 工装模具设计
成型工艺实验
复合材料
复合材料
复合材料 二、成型工艺种类 手糊成型 真空袋压法成型 压力袋成型 树脂注射和树脂传递成型 喷射成型 层压成型 模压成型 缠绕成型 热压罐成型
复合材料 模压成型 1. 定义 将复合材料片材或模塑料放入金属对模中，在 温度和压力作用下，材料充满模腔，固化成型， 脱模制得产品的方法。 2. 特点 ①生产效率较高，制品尺寸准确， 表面光洁，产品无需二次加工，易 于机械化、自动化；
②模具设计制造复杂，压机及模具 投资高，产品尺寸受设备限制，只 适于大批量中小型制品。
复合材料 B. 压力
作用：克服模压料之间以及与模腔间的摩擦，物料充 满模腔；压紧制品，保证形状和尺寸 加压时机：树脂激烈反应放出大量气体之前 a. 凭经验（树脂拉丝）；b. 树脂凝胶温度；c. 气体释放量 放气充模（加压、卸压、反复几次）
复合材料
3）预热和预成型 A. 预热作用：改善工艺性能，提高模压料温度，缩短固 化时间，降低成型压力； B. 预热方法：加热板、红外线、电烘箱、高频、远红外 60~100 ，30min C. 预成型（室温下预先压制）：缩短生产周期，提高生 产效率及制品性能
复合材料
三、成型工艺的选择 ①产品外形构造和尺寸大小 ②材料性能和产品质量要求 ③生产批量大小及供应时间要求 ④企业可能提供的设备条件及资金 ⑤综合经济效益，保证企业盈利
复合材料 第6章 聚合物基复合材料成型工艺
6.2 各种成型工艺方法简介
手糊成型工艺 一、定义 手糊成型又称接触成型，采用手工方法将纤维增强材 料和树脂胶液在模具上铺敷成型、室温（或加热）、无 压（或低压）条件下固化，脱模成制品的工艺方法。 工艺流程
复合材料 层压成型 一、 工艺流程 1）胶布裁剪（下料） 连续切割，手工裁剪，d≥9mm厚板，
胶布纬向比横板窄5~10%源自2）配叠（排版或配布）①每块板料两面各放2~3张面层胶布 ②胶布挥发分＜7%，否则干燥处理 ③ d≥9mm 厚板，中间可夹配表角料、碎布，但不超过总量10% ④确定配料量 按质量法下料 G F H (1 )